Topologie. Prof. Dr. Dirk Ferus. Wintersemester 2004/5

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1 Topologie Prof. Dr. Dirk Ferus Wintersemester 2004/5 Version vom

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3 Inhaltsverzeichnis 1 Topologische Räume und stetige Abbildungen Metrische und topologische Räume Zerlegung der Eins und Erweiterung von Homöomorphismen Überlagerungen und die Fundamentalgruppe Überlagerung, Hochhebung und Homotopie Die Fundamentalgruppe Gruppenoperationen und Decktransformationen Klassifikation von Überlagerungen Mannigfaltigkeiten C -Mannigfaltigkeiten und -Abbildungen Tangential- und Normalbündel C -Approximation Der Rang und die Topologie differenzierbarer Abbildungen Satz von Sard Mannigfaltigkeiten mit Rand Mannigfaltigkeiten Der Brouwersche Fixpunktsatz Transversalität Transversale Abbildungen Schnittzahltheorie mod Abbildungsgrad und Umlaufzahl mod Schnittzahltheorie: Der orientierte Fall Orientierte Mannigfaltigkeiten Schnittzahl und Eulercharakteristik Index von Vektorfeldern Abbildungsgrad Der Gradsatz von Hopf De Rham-Kohomologie Der De Rham-Komplex einer Mannigfaltigkeit Intermezzo: Kategorien und Funktoren Poincaré-Lemmas Die Mayer-Vietoris-Sequenz Mayer-Vietoris für kompakten Träger Poincaré-Dualität Anwendung der Sphärenkohomologie: Hopfinvariante

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5 Literatur Mengentheoretische Topologie K. Jänich, Topologie, Springer B. v. Querenburg, Mengentheoretische Topologie, Springer 1979 J. L. Kelley, General Topology, van Nostrand 1955 Differentialtopologie und algebraische Topologie W. Fulton, Algebraic Topology, Springer Graduate Texts in Mathematics,1995 V. Guillemin, A. Pollack, Differential Topology, Prentice Hall, 1974 J. Milnor, Topology from the Differentiable Viewpoint, The University Press of Virginia, Charlottesville 1965 R. Bott, L. W. Tu, Differential Forms in Algebraic Topology, Springer 1982 I. M. Singer, J. A. Thorpe, Lectures on Elementary Topology and Geometry, Scott, Forstman and Company 1965 V. A. Vassiliev, Introduction to Topology, AMS Student Mathematical Library 2001 M. W. Hirsch, Differential Topology, Springer Graduate Texts in Mathematics 1976 M. Golubitsky, V.W. Guillemin, Stable Mappings and Their Singularities, Springer Graduate Texts 1974 Anschauliche Geometrische Topologie J. S. Carter, How Surfaces intersect in Space, World Scientific 1995 Gelegentliche Verweise auf die Vorlesung Analysis beziehen sich konkret auf die Skripten des laufenden Kurses, die Sie über meine Homepage im Netz finden können.

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7 1 Topologische Räume und stetige Abbildungen 1.1 Metrische und topologische Räume Ziel dieses Abschnittes ist die Erweiterung des Begriffs metrischer Raum zu dem des topologischen Raumes und die Klärung, welche Begriffe und Aussagen in diesem erweiterten Rahmen ihre Gültigkeit behalten. In der Analysis haben wir definiert: Definition 1. Ein metrischer Raum ist ein Paar (X, d) bestehend aus einer Menge X und einer Abbildung (der Metrik) d : X X R mit folgenden Eigenschaften für alle x, y, z X: d(x, y) 0 und d(x, y) = 0 x = y (1) d(x, y) = d(y, x) (Symmetrie) (2) d(x, z) d(x, y) + d(y, z) (Dreiecksungleichung) (3) In einem metrischen Raum hatten wir dann erklärt, was eine Umgebung eines Punktes p ist, nämlich eine Teilmenge, die eine ɛ-kugel mit hinreichend kleinem Radius ɛ > 0 und Zentrum p enthält. Eine Teilmenge von X heißt offen, wenn sie Umgebung für jeden ihrer Punkte ist. Umgekehrt: Eine Menge ist eine Umgebung von p, wenn sie eine offene Menge enthält, in der p liegt. Basierend auf dem Begriff der Umgebung (nicht unbedingt der ɛ-umgebung!) oder, wegen der letzten Bemerkung, auf dem Begriff der offenen Menge kann man dann die Begriffe abgeschlossen, Inneres, Randpunkt, abgeschlossene Hülle, kompakt, zusammenhängend, konvergent und stetig definieren. Und in den Beweisen der darüber gezeigten Sätze spielte die Metrik oft ebenfalls keine Rolle. 1 Wichtige Eigenschaften offener Teilmengen eines metrischen Raumes X waren diese: Die Vereinigung von beliebig vielen offenen Teilmengen ist wieder offen. Das gilt insbesondere für die leere Vereinigung, die nach Definition die leere Menge ist. Der Durchschnitt von endlich vielen offenen Teilmengen ist wieder offen. Das gilt insbesondere für den leeren Durchschnitt, der nach Definition der ganze Raum X ist. Und nur diese Eigenschaften offener Mengen gingen in die in der Fußnote zitierten Sätze ein. Wir benutzen das zur Definition 2 (Topologischer Raum). Seien X eine Menge und T eine Menge von Teilmengen von X. T heißt eine Topologie für X, wenn T abgeschlossen ist gegenüber beliebigen Vereinigungen und endlichen Durchschnitten. Insbesondere sind dann, X T. Die Elemente von T heißen in diesem Fall die offenen Mengen der Topologie, ihre Komplemente die abgeschlossenen Mengen der Topologie. Ein topologischer Raum ist eine Menge X zusammen mit einer Topologie für X. Man schreibt dafür auch gern (X, T ). Eine Teilmenge U X heißt eine Umgebung von x X, wenn es eine offene Menge Ũ T mit x Ũ U gibt. 1 Konkret gilt das z.b. für die Sätze und Korollare 22, 25, 50, 62, 70, 73, 76, 77 der Analysis II. In den Beweisen verwendete ɛ-umgebungen kann man problemlos durch allgemeine Umgebungen ersetzen. 7

8 Wie in der Analysis II können wir dann für topologische Räume die Begriffe abgeschlossen, Inneres, Randpunkt, abgeschlossene Hülle, kompakt, zusammenhängend, konvergent und stetig definieren und dafür die zitierten Sätze beweisen. Auf einige Beispiele gehen wir gleich noch ein. Offenbar ist jeder metrische Raum auf natürliche Weise ein topologischer Raum, aber es gibt durchaus Topologien, die nicht von einer Metrik induziert sind. Das simpelste Beispiel liefert die sogenannte Klumpentopologie : T besteht nur aus den notwendigsten Teilmengen, nämlich aus und X. Enthält X wenigstens zwei Punkte, so gibt es keine Metrik, deren offene Mengen genau diese beiden sind. Die Klumpentopologie ist gewissemaßen das Gegenteil der von der diskreten Metrik induzierten diskreten Topologie, in der alle Teilmengen offen sind: T ist die Potenzmenge. Die Frage der Metrisierbarkeit einer Topologie ist eine viel studierte Frage im Rahmen der sogenannten mengentheoretischen Topologie, aber wir gehen darauf nicht ein. In der Funktionalanalysis oder der Algebraischen Geometrie gibt es interessante und wichtige Beispiele für nicht-metrisierbare Topologien. Konvention. Wenn wir in Beispielen den R n oder Banachräume oder Teilmengen davon als topologische Räume verwenden, beziehen wir uns immer auf die von der Standardmetrik induzierte Topologie, es sei denn eine andere explizit angegeben. Definition 3 (Basis, Subbasis). Seien (X, T ) ein topologischer Raum und B T eine Teilmenge von T. (i) B heißt eine Basis von T, wenn jede Menge aus T Vereinigung von Mengen aus B ist. (ii) B heißt eine Subbasis von T, wenn jede offene Menge aus T Vereinigung von endlichen Durchschnitten von Mengen aus B ist. Beispiel 4. Sei B P(X) eine Teilmenge der Potenzmenge von X. Bildet man alle endlichen Durchschnitte von Mengen aus B und alle Vereinigungen von diesen, so erhält man eine Topologie für X mit B als Subbasis. So kann man also auf jeder Menge Topologien erzeugen. Beispiel 5. Die Menge der offenen ɛ-kugeln U ɛ (x) des R n bilden eine Basis der Topologie. Auch wenn man sich auf rationales ɛ und Punkte mit rationalen Koordinaten beschränkt, erhält man noch eine Basis. Definition 6 (Spurtopologie, Relativtopologie). Seien (X, T ) ein topologischer Raum und A X. Die sämtlichen Durchschnitte offener Mengen von X mit A bilden eine Topologie für A, die von T induzierte Relativtopologie oder Spurtopologie T A auf A. Konvergenz, Kompaktheit, Zusammenhang, Stetigkeit. Konvergenz von Folgen ist ein rein topologischer Begriff: Definition 7 (Konvergenz). Eine Folge (x n ) n N im topologischen Raum X heißt konvergent gegen x X, wenn jede Umgebung U von x fast alle Folgenglieder enthält: #{n N x n / U} <. Bemerkung. Der Begriff der Cauchyfolge und damit der Begriff der Vollständigkeit oder die gleichmäßige Konvergenz von Funktionenfolgen sind keine rein topologischen Begriffe, sie erfordern eine Metrik (oder doch eine zusätzliche Struktur). 8

9 Bei der eben definierten Konvergenz gibt es ein neues Phänomen: Beispiel 8. Sei X = R versehen mit der Klumpentopologie. Dann ist die Folge x n = ( 1) n konvergent. Gegen welchen Punkt? Der Limes von konvergenten Folgen in allgemeinen topologischen Räumen ist nicht eindeutig. Um Eindeutigkeit zu erzwingen, braucht man eine zusätzliche Eigenschaft, die im Fall metrischer Räume von selbst erfüllt ist: Definition 9 (Hausdorff-Eigenschaft). Ein topologischer Raum X heißt ein Hausdorffraum oder Hausdorffsch, wenn gilt: Zu je zwei Punkten x y in X gibt es disjunkte offene Mengen U und V mit x U und y V. Man sagt, je zwei Punkte lassen sich durch disjunkte Umgebungen trennen. In Hausdorffschen topologischen Räumen ist der Limes einer konvergenten Folge eindeutig bestimmt. Man bezeichnet die Hausdorffeigenschaft auch als Trennungsaxiom T 2. Es impliziert, das Trennungsaxiom T 1 : Jede einpunktige Teilmenge ist abgeschlossen. Finden Sie einen topologischen Raum, in dem das nicht gilt! Definition 10 (Kompakt). Ein topologischer Raum X heißt kompakt, wenn jede offene Überdeckung von X eine endliche Teilüberdeckung besitzt. 2 Eine Teilmenge eines topologischen Raumes heißt kompakt, wenn sie in der Spurtopologie kompakt ist. Beispiel 11 (Bolzano-Weierstraß?). Ein Häufungspunkt einer Folge ist ein Punkt, bei dem in jeder Umgebung unendlich viele Glieder der Folge liegen. Eine Folge (x n ) n N in einem kompakten topologischen Raum besitzt einen Häufungspunkt: Andernfalls gäbe es zu jedem x X eine offene Umgebung U x, für die #{n N x n U x } <. Endlich viele davon genügen zur Überdeckung von X im Widerspruch zur Unendlichkeit der Folge. Ist x ein Häufungspunkt der Folge (x n ) in einem metrischen Raum X, so kann man eine Teilfolge (x nk ) k N auswählen, für die x nk U 1 k+1 (x). Diese Teilfolge konvergiert dann offenbar gegen x. Zusammen mit dem obigen Argument erhält man den Satz von Bolzano-Weierstraß: Jede Folge in einem kompakten metrischen Raum enthält eine konvergente Teilfolge. In topologischen Räumen ist das nicht unbedingt richtig, weil man keinen Ersatz für die kontrahierende Folge von Kugelumgebungen U 1 (x) hat. Man braucht wiederum eine k+1 zusätzliche Eigenschaft: Hinreichend ist, dass der Raum das 1. Abzählbarkeitsaxiom erfüllt, dass nämlich jeder Punkt x eine abzählbare Umgebungsbasis besitzt: eine Folge (U k ) k N von Umgebungen, so dass jede Umgebung U von x eines der U k enthält. Ist dann x ein Häufungspunkt von (x n ) n N und (U k ) k N eine Umgebungsbasis von x, so setzt man V k := U 0... U k und wählt eine Teilfolge mit x nk V k. Die konvergiert dann gegen x. 2 Manche Autoren nennen das quasi-kompakt und nennen X kompakt, wenn zusätzlich die Hausdorff- Eigenschaft gilt. 9

10 Bemerkung: Das 2. Abzählbarkeitsaxiom fordert die Existenz einer abzählbaren Basis für die Topologie T. Es impliziert das 1. Abzählbarkeitsaxiom. Beispiel 12. Zeigen Sie: Abgeschlossene Teilmengen von kompakten Räumen sind kompakt. Kompakte Teilmenge eines hausdorffschen(!) topologischen Raumes sind abgeschlossen. (Beschränktheit ist in allgemeinen topologischen Räumen gar nicht definiert.) Definition 13 (Zusammenhang). Ein topologischer Raum heißt zusammenhängend, wenn er nicht die disjunkte Vereinigung zweier offener nicht-leerer Teilmengen ist. Eine Teilmenge eines topologischen Raumes heißt zusammenhängend, wenn sie in der Spurtopologie zusammenhängend ist. Zeigen Sie, dass ein topologischer Raum genau dann zusammenhängend ist, wenn die leere Menge und der ganze Raum die einzigen Teilmengen sind, die gleichzeitig offen und abgeschlossen sind. Bei metrischen Räumen hatten wir gezeigt: Eine Teilmenge Y X ist zusammenhängend genau dann, wenn es nicht zwei disjunkte offene Teilmengen Ũ, Ṽ X gibt, so dass Y Ũ Ṽ und Ũ Y Ṽ Y. Der schwierige Teil des Beweises ( = -Richtung) war die Erweiterung disjunkter relativ offener Teilmengen U, V Y zu disjunkten offenen Teilmengen Ũ, Ṽ X. Dabei benutzte man wesentlich die Metrik. In allgemeinen topologischen Räumen klappt das nicht: Beispiel 14. Die Menge X enthalte wenigstens drei verschiedene Punkte x, y, z. Wir definieren T = { } {Y X x Y }. T ist abgeschlossen gegenüber Durchschnitt und Vereinigung, definiert also eine Topologie auf X. Die Teilmenge A = {y, z} enthält die in A offenen disjunkten Teilmengen U = {y} = A {x, y} und V = {z} = A {x, z}. Aber diese lassen sich nicht zu disjunkten in X offenen Teilmengen erweitern, weil jede solche den Punkt x enthält. Definition 15 (Stetigkeit). Eine Abbildung f : X Y topologischer Räume heißt stetig in x X, wenn gilt: Für jede Umgebung V von f(x) ist f 1 (V ) eine Umgebung von x. Sie heißt stetig auf X, wenn sie stetig in jedem x X ist. Das ist äquivalent dazu, dass die Urbilder aller offenen Mengen von Y offen in X sind oder dass die Urbilder aller abgeschlossenen Mengen abgeschlossen sind. Die Komposition stetiger Abbildungen ist stetig (klar). Stetige Abbildungen bilden kompakte bzw. zusammenhängende topologische Räume in kompakte bzw. zusammenhängende Mengen ab. Stetige reellwertige Funktionen auf einem kompakten topologischen Raum nehmen ihr Maximum und Minimum an. Die Beweise kann man wörtlich aus der Analysis II übernehmen. Der Satz von der gleichmäßigen Stetigkeit hingegen macht wieder nur in metrischen Räumen Sinn. Definition 16 (Wegzusammenhang). Eine stetige Abbildung c : [a, b] X eines kompakten Intervalls [a, b] in einen topologischen Raum X heißt ein Weg oder eine Kurve von c(a) nach c(b). 10

11 Ein topologischer Raum X heißt wegzusammenhängend, wenn sich je zwei Punkte x, y X durch einen Weg von x nach y verbinden lassen, wenn es also einen Weg c : [a, b] Xmit c(a) = x und c(b) = y gibt. Zeigen Sie, dass wegzusammenhängende topologische Räume zusammenhängend sind, dass aber die Umkehrung nicht gilt. 3 Stetige Abbildungen bilden wegzusammenhängende topologische Räume auf wegzusammenhängende Mengen ab. Beispiel 17. Die spezielle orthogonale Gruppe SO(n) := {A End(R n ) AA = id und det A = +1} ist für alle n 2 wegzusammenhängend bezüglich der kanonischen Topologie: End(R n ) hat als endlich-dimensionaler R-Vektorraum eine ausgezeichnetet Topologie, die von einer beliebigen Norm, zum Beispiel von der Operatornorm, induziert wird. Und SO(n) trägt dann eben die Spurtopologie. Beweis: Nach linearer Algebra existiert für A SO(n) eine ON-Basis des R n, bezüglich der A eine Darstellungmatrix der Form A 1 A 2... Ak besitzt, bei der die Matrizen A j jeweils von einer der folgenden Formen sind: ( ) cos φj sin φ j oder ( +1 ) sin φ j cos φ j Beachten Sie, dass der Eigenwert 1 wegen der Determinantenbedingung mit gerader Multiplizität vorkommt, so dass er durch 2 2-Kästchen mit φ = π erfaßt wird. Wir ersetzen φ j jeweils durch tφ j und bezeichnen mit A(t) den zugehörigen Endomorphismus bezüglich derselben Basis. Dann ist also A(1) = A, und t A(1 t) liefert eine stetige Abbildung in SO(n) mit A(0) = id. Also ist SO(n) wegzusammenhängend. Ein wichtiges Hilfsmittel bei der geometrischen Konstruktion von stetigen Abbildungen ist das folgende Lemma 18 (Klebelemma). Seien f 0 : A 0 Y und f 1 : A 1 Y stetige Abbildung von abgeschlossenen (offenen) Teilmengen A 0, A 1 des topologischen Raumes X und sei f 0 A0 A 1 = f 1 A0 A 1. Dann definiert f(x) := f i (x) für x A i eine stetige Funktion auf A 0 A 1. Beweis. Für abgeschlossenes Z Y sind die f 1 i (Z) abgeschlossen in A i und, weil diese abgeschlossen sind, auch in X. Damit ist f 1 (Z) = f0 1 1 (Z) f1 (Z) abgeschlossen in X also in A 0 A 1. Die Urbilder abgeschlossener Mengen sind also abgeschlossen, und daher ist f stetig. Analog mit offenen Mengen. 3 Ein (Gegen)beispiel findet man mit Hilfe des Graphen von sin 1 x. 11

12 Definition 19 (Homöomorphie). Eine bijektive stetige Abbildung mit stetigem Inversen zwischen topologischen Räumen heißt ein Homöomorphismus. Zwei topologische Räume heißen homöomorph, wenn es zwischen ihnen einen Homöomorphismus gibt. Beispiel 20. Die Abbildung x tan πx 2 liefert einen Homöomorphismus des offenen Intervalls ] 1, 1[ auf R. Gibt es einen Homöomorphismus von ] 1, 1[ auf [ 1, +1]? Gibt es einen Homöomorphismus zwischen diesen beiden Intervallen, wenn man beide mit der diskreten Topologie versieht? Homöomorphismen sind die Isomorphismen in der Kategorie der topologischen Räume. Zwei homöomorphe topologische Räume sind bezüglich ihrer topologischen Eigenschaften gleich. Eine fundamentale Fragestellung der Topologie ist die Klassifizierung topologischer Räume: Wann sind zwei solche homöomorph? Zum Beispiel ist es klar, dass Sphären verschiedener Radien im R 3 (versehen mit der kanonischen Spurtopologie) homöomorph sind, einen Homöomorphismus können Sie leicht explizit hinschreiben. Die Sphäre ist sogar homöomorph zu Ellipsoiden oder zu sehr viel krummeren Flächen: Aber ist die Sphäre auch homöomorph zum Torus?? Methoden, mit denen man diese Frage über das anschauliche Empfinden hinaus präzise entscheiden kann, sind ein Ziel dieser Vorlesung. Produkte und Quotienten topologischer Räume Definition 21 (Produktopologie). Sind X und Y topologische Räume, so bilden die Produkte offener Mengen von X und Y die Subbasis (sogar die Basis) einer Topologie für X Y, die Produkttopologie genannt wird. Beispiel 22. Die Produkttopologie von R R ist die Standardtopologie des R 2. 12

13 Es ist klar, wie man die Produkttopologie auf endlichen Produkten X 1... X n definiert. Satz 23. Seien X 1,..., X n topologische Räume und sei π k : Π n i=1x i X k die Projektion auf den k-ten Faktor. Dann ist {π 1 k (U k) 1 k n und U k X k offen} eine Subbasis der Produkttopologie auf Π n i=1 X i. Beweis. Für 1 k n sei U k eine offene Mengen aus X k. Dann ist U 1... U n = π 1 1 (U 1)... π 1 n (U n ) und umgekehrt π 1 k (U k) = X 1 X k 1 U k X k+1... X n. Daher erzeugen beide Mengensysteme dieselbe Topologie. Offenbar enthält die Produkttopologie gerade alle Mengen, die nötig sind, damit die Abbildungen π k alle stetig sind, sie ist die gröbste Topologie, d.h. die mit den wenigsten offenen Mengen, die diese Eigenschaft hat. Auf dem unendlichen Produkt Π i I X i kann man die sämtlichen Produkte der Form Π i I U i mit U i offen in X i als Subbasis einer Topologie benutzen. Man entscheidet sich aber dafür, als Produkttopologie in diesem Fall wieder die gröbste Topologie zu nehmen, in der alle π k stetig sind: Eine Subbasis bilden die Mengen π 1 k (U k) = Π i I U i U i = X i für i k. Mit dieser Definition kann man den folgenden Satz beweisen, der nach Kelley vielleicht der wichtigste einzelne Satz der (mengentheoretischen) Topologie ist. Lesen Sie dazu auch Kapitel X, 1 im Jänich. Satz 24 (Tychonoff). Das Produkt (beliebig vieler) kompakter Räume ist kompakt. Für den Beweis vergleichen Sie irgendein Lehrbuch der mengentheoretischen Topologie. Ich verzichte hier darauf, weil wir an anderen Richtungen der Topologie interessiert sind. Definition 25 (Quotiententopologie). Sei X ein topologischer Raum und sei eine Äquivalenzrelation auf X. Sei X/ die Menge der Äquivalenzklassen und π : X (X/ ), die kanonische Projektion. Die Menge x π(x) = [x] {U (X/ ) π 1 (U) offen in X} ist eine Topologie auf X/, die Quotiententopologie. Sie ist die feinste Topologie auf X/, d.h. die mit den meisten offenen Mengen, bezüglich der die kanonische Projektion stetig ist. Man stellt sich gern vor, dass X/ aus X hervorgeht, indem man äquivalente Punkte identifiziert. Entsprechend heißt die Quotiententopologie auch Identifizierungstopologie. Prüfen Sie die Eigenschaften einer Topologie für die Quotiententopologie nach! 13

14 Beispiel 26. Auf R betrachte man die folgende Äquivalenzrelation: x y λ 0 y = λx Beschreiben Sie R/ und die Quotiententopologie darauf. Beispiel 27. Auf R betrachte man die folgende Äquivalenzrelation: x y (x = y) x = 1 = y. Beschreiben Sie R/ und die Quotiententopologie darauf. Zeigen Sie, dass in diesem Fall die Projektion π : R R/ keine offene Abbildung ist, d.h. nicht alle offenen Mengen in offene Mengen abbildet. Beispiel 28 (Der reelle projektive Raum). Der reelle projektive Raum P n ist die Menge aller Geraden durch 0 im R n+1. Jede solche Gerade trifft die Einheitssphäre S n R n+1 in einem Antipodenpaar. Deshalb kann man den Projektiven Raum auch verstehen als Quotientenraum der Einheitssphäre nach der Äquivalenzrelation Man kann also definieren x y x = ±y. P n := S n /{x x} Die kanonische Projektion von S n auf P n ist offenbar 2:1 und surjektiv. Wir versehen P n mit der Quotiententopologie. Dann ist π stetig und P n insbesondere wegzusammenhängend und kompakt. Für offenes V S n ist π 1 (π(v )) die Vereinigung von V mit dessen Spiegelbild V am Ursprung, also offen, und daher ist π(v ) offen, d.h. π ist eine offene Abbildung: die Bilder offener Mengen sind offen. Beispiel 29 (Spiegelungsmodell). Die Abbildung f : P n End(R n+1 ) des projektiven Raumes in den Banachraum der Endomorphismen von R n+1 mit f([x])(y) := y + 2 x, y x für x S n definiert einen Homöomorphismus von P n auf {S End(R n+1 ) S = S und S 2 = id und Rang(S id) = n}. Die Bijektivität von f auf die Menge der Geradenspiegelungen ist klar, eine Gerade [x] wird mit der Spiegelung f([x]) an [x] identifiziert. Zu zeigen ist, dass f und f 1 stetig sind. Wir zeigen zunächst die Stetigkeit von f: Für x, x 0 S n und y R n+1 ist ( y + x, y x) ( y + x 0, y x 0 ) = x x 0, y x x 0, y (x x 0 ) 2 x x 0 y. Also gilt für die Operatornorm f([x]) f([x 0 ]) 2 x x 0. Daher ist die Abbildung f π : S n End(R n+1 ) stetig auf S n. Folgern sie daraus die Stetigkeit von f. 14

15 Die Stetigkeit von f 1 ist auf direktem Wege nicht so leicht zu zeigen. Der Kern der Schwierigkeiten besteht darin, dass man f 1 nicht so leicht zu einer stetigen Funktion auf einer offenen Teilmenge von End(R n+1 ) erweitern läßt. Aber es gibt eine viel einfacher Lösung des Problems durch den folgenden Satz. Satz 30. Ist f : X Y stetig und bijektiv und ist X kompakt und Y hausdorffsch, so ist f ein Homöomorphismus, also f 1 stetig. Beweis. Vergleiche Beispiel 12. Das Urbilder einer abgeschlossenen, also kompakten Menge A X unter f 1 ist f(a), also kompakt, also abgeschlossen. Beispiel 31. Auf [0, 2π] [ 1, 1] definieren wir eine Äquivalenzrelation: Wir nennen (x 1, y 1 ) und (x 2, y 2 ) äquivalent, wenn sie gleich sind, oder wenn x 1 x 2 = 2π und y 1 +y 2 = 0 ist. Der Quotientenraum nach dieser Äquivalenzrelation heißt das Möbiusband. Veranschaulichen Sie sich die Äquivalenzrelation am Einheitsquadrat und finden Sie einen Homöomorphismus des Möbiusbandes auf eine Teilmenge im R 3. 15

16 1.2 Zerlegung der Eins und Erweiterung von Homöomorphismen Wir schieben hier einen relativ technischen Abschnitt ein, weil ein bißchen Technik im Umgang mit topologischen Begriffen geübt werden muss, und weil die Zerlegung der Eins eine wichtige Methode mit vielseitigen Anwendungen in der globalen Analysis und Geometrie ist. Wir behandeln den C -Fall im R n, der für den weiteren Gang der Vorlesung, nämlich für die Mannigfaltigkeiten, wichtig ist. Es gibt eine Variante mit stetigen Funktionen in gewissen topologischen Räumen. Darüber mache ich am Ende des Abschnittes noch eine Bemerkung. Definition 32 (Träger). Der Träger einer Funktion φ : X R auf einem topologischen Raum X ist definiert als die abgeschlossene Hülle der Menge aller x mit f(x) 0: supp φ := {x X φ(x) 0}. Lemma 33. Seien B R n eine abgeschlossene Vollkugel. Dann gibt es eine nicht-negative C -Funktion φ : R n [0, [ mit supp φ = B. Beweis. Die Funktion ψ(x) := { e 1 x für x > 0, 0 sonst. ist nach Beispiel 168 der Analysis I eine C -Funktion. Ist B = {x x x 0 r}, so leistet deshalb ρ(x) := ψ(r 2 x x 0 2 ) das Gewünschte. Satz 34 (Zerlegung der Eins). Sei (U α ) α A eine Familie offener Mengen im R n und U := Dann gibt es eine Folge (φ j ) j N von C -Funktionen auf U mit folgenden Eigenschaften: (i) φ j : U [0, 1] für alle j. α A U α (ii) Jedes x U hat eine offene Umgebung, auf der alle bis auf endlich viele der φ j verschwinden. (iii) Zu jedem j N gibt es ein α A mit Der Träger supp φ j ist kompakt. supp φ j U α. (iv) Für jedes x U ist φ j (x) = 1. j=0 Beachten Sie, dass wegen (ii) in der Summe nur endlich viele Term 0 sind. Die Folge (φ j ) heißt eine zur Überdeckung (U α ) passende Zerlegung der Eins. 16

17 Beweis. Wir setzen für m 0 K m := {x R n d(x, R n \ U) 1 m + 1 } {x Rn x m + 1}. Das ist der Durchschnitt einer abgeschlossenen und einer kompakten Menge, also kompakt und offenbar in U enthalten. Weiter gilt K m = U und K m Km+1. m N Wir setzen K 1 = K 2 =. Für alle m 0 ist U \ K m 2 = α A U α \ K m 2 eine offene Menge, die die kompakte Menge K m \ Km 1 enthält. Wir betrachten nun alle offenen Kugeln des R n, deren abgeschlossene Hülle in einer der offenen Mengen U α \ K m 2 liegen. Sie bilden eine offene Überdeckung von U \ K m 2 und damit von K m \ Km 1. Also können wir endlich viele dieser Kugeln auswählen, die bereits K m \ Km 1 überdecken. Wir machen das für alle m 0 und erhalten nach Numerierung eine Folge (V j ) j N von offenen Kugeln mit folgenden Eigenschaften: (i) Jedes V j liegt in einem U α. (ii) Jedes K m trifft nur endlich viele der V j. Weil jedes x U in einem Km liegt, besitzt es eine Umgebung, die nur endlich viele der V j trifft. (iii) Es gilt V j = K m \ Km 1 = K m = U. j N m=0 m=0 Wegen (i) nennt man die Überdeckung (V j ) j N von U eine Verfeinerung von (U α ) α A, wegen (ii) nennt man sie lokal endlich. Wählen wir zu jedem V j eine Funktion ρ j wie im Lemma 33, so erfüllen diese Funktionen die Bedingungen (ii) und (iii) des Satzes. Deshalb ist k=0 ρ k lokal eine endliche Summe, also eine C -Funktion, die auf U positiv ist. Deshalb definiert φ j := ρ j k=0 ρ k eine Funktionenfolge, die auch (i) und (iv) erfüllt. Wichtige Anwendungen der Zerlegung der Eins gibt es in der globalen Analysis beim Zusammenstückeln lokaler Informationen. Wir machen das an einem Beispiel deutlich. Wichtige weitere Beispiele bieten die Integration auf Mannigfaltigkeiten und der Satz von Stokes, vgl. Analysis III, oder der Whitneysche Einbettungssatz, vgl. Guillemin/Pollack. Beispiel 35. In der Analysis definiert man differenzierbare 4 Funktionen zunächst nur auf offenen Teilmengen. Später möchte man das verallgemeinern (zum Beispiel für differenzierbare Funktionen auf Untermannigfaltigkeiten). Man nennt dann eine Funktion f : R n M R differenzierbar auf der beliebigen Menge M R n, wenn sie sich lokal differenzierbar auf eine offene Menge fortsetzen läßt: Wenn es zu jedem x M eine offene Umgebung U x in R n und eine differenzierbare Funktion f x : U x R gibt, für die f x M Ux = f M Ux 17

18 gilt. Gibt es dann sogar eine globale differenzierbare Fortsetzung, also eine offene Umgebung U von M und eine differenzierbare Funktion f : U R mit f M = f? Wir wenden den Satz über die Zerlegung der Eins an auf die offene Überdeckung (U x ) von X := U x. Sei (φ j ) j N eine passende Zerlegung der Eins und supp φ j U xj. Wir definieren dann { f xj (y) für y U xj, f j (y) := 0 sonst. Das ist im allgemeinen auf dem Rand von U xj unstetig. Aber weil φ j auf dem Rand von U xj längst verschwunden ist, ist φ j f j : R n R differenzierbar. Wegen der lokalen Endlichkeit, d.h. der Eigenschaft (ii) des Satzes, ist auch f := φ j f j : R n R differenzierbar, und für x M X gilt f(x) = φ j (x)f j (x) = φ j (x) f(x) = f(x). j=0 j=0 j=0 Beispiel 36. Wir betrachten im R n R k eine offene Umgebung G von R n {0} und wollen zeigen, dass es dazu eine positive C - Funktion ɛ : R n R gibt, so dass {(x, y) y < ɛ(x)} G gilt. Dazu wählen wir zu jedem x R n eine offene Umgebung U x in R n und ein ɛ x > 0, so dass U x U ɛx (0) G. k IR y < ε(x) Wir wählen nun zur Überdeckung (U x ) von R n eine passende Zerlegung (φ j ) der Eins, wählen zu jedem j ein x j mit supp φ j U xj und setzen { ɛ xj φ j (x) für x U xj, ɛ j (x) := 0 sonst. Weil der Träger von φ j in U xj liegt, ist ɛ j auf ganz R n eine C -Funktion. Es ist positiv, wo φ j positiv ist. Weiter hat jeder Punkt x R n eine offene Umgebung, auf der alle bis auf endlich viele der ɛ j verschwinden. Daher definiert ɛ(x) := ɛ j (x) eine positive C -Funktion auf ganz R n. Für diese gilt (wegen φ j = 1) ɛ(x) = ɛ xj φ j (x) max{ɛ xj x U xj }. ɛ j(x)>0 j=0 4 Statt differenzierbar kann man hier und im folgenden auch C setzen. G n IR 18

19 Also ist {x} U ɛ(x) (0) G für alle x. Beispiel 37 (C -Urysohn-Lemma). Seien A, B R n disjunkte abgeschlossene Mengen. Dann gibt es eine C -Funktion φ : R n [0, 1] mit φ A = 1 und φ B = 0. Beweis als Übungsaufgabe. Hier will ich noch eine weitere Anwendung des Satzes über die Zerlegung der Eins geben, um ein Lemma zu beweisen, welches einerseits eine interessante Frage der elementaren mengentheoretischen Topologie behandelt, andrerseits für uns später sehr wichtig sein wird, vgl. Satz 121. Wir benutzen dabei nur die Tatsache, dass (φ 1 i (]0, [) i N und die (supp φ i ) i N offene bzw. abgeschlossene lokal endliche Verfeinerungen sind, die Summe der φ i interessiert hier nicht. Lemma 38 (Erweiterung eines Homöomorphismus). Seien X ein topologischer Raum und f : X Y R n ein lokaler Homöomorphismus auf eine Teilmenge Y des R n. Sei Z X eine Teilmenge, die durch f homöomorph auf f(z) abgebildet wird. Dann gibt es eine offene Umgebung G von Z in X, die durch f homöomorph auf f(g) abgebildet wird. Beweis. Sei g := (f Z ) Schritt: Wir zeigen zunächst: Es gibt eine Überdeckung (U z ) z Z von Z mit in X offenen Mengen U z, so dass für alle z Z gilt: f z := f Uz ist ein Homöomorphismus auf eine offene Menge V z Y. (4) f 1 z Vz f(z) = g Vz f(z). (5) Beweis. Zu z Z gibt es eine offene Umgebung U in X, auf der f ein Homöomorphismus ist. Wegen der Stetigkeit von g gibt es eine offene Umgebung V von f(z) in Y, so dass Setze g(v f(z)) U Z. V z := V f(u) und U z := (f U ) 1 (V z ). Ist y V z f(z), so ist g(y) U Z und f(g(y)) = y, also (f U ) 1 (y) = g(y). Daraus folgt Gleichung (5). 2. Schritt: Seien die U z wie im ersten Schritt. Dann ist (V z = f(u z )) z Z eine offene Überdeckung von f(z). Wir wähle dazu eine passende Zerlegung (φ j ) j N der Eins und setzen Wir wählen weiter zu jedem j ein z j Z mit W j := φ 1 j (]0, [). W j = supp φ j V zj und setzen V j := V zj, U j := f 1 (V j ), f j := f Uj. Dann ist (W j ) eine lokal endliche Überdeckung von f(z) und f j : U j V j 19

20 ein Homöomorphismus mit Wir setzen f 1 j Vj f(z) = g Vj f(z). W := j N W j und Offenbar ist f(z) enthält. Ŵ := {y W i,j (y W i W j = f 1 i (y) = f 1 j (y))}. Ŵ. Wir behaupten, dass Ŵ sogar eine offene Umgebung von f(z) Beweis. Sei y f(z). Dann gibt es dazu eine Umgebung H y W, für die J := {j H y W j }. endlich ist. Wegen der Endlichkeit ist j J,y / W j W j abgeschlossen und das Komplement dieser Menge in H y eine offene Umgebung von y. Also könne wir o.e. annehmen, dass y j J W j. Dann ist (wegen der Endlichkeit von J) j J V j eine offene Umgebung von y, und deshalb o.e. H y j J V j. Weil y f(z) ist f 1 j (y) = g(y) =: x für alle j J und deshalb x U j für alle j J. Weil f Uj injektiv ist, bildet f die offene Umgebung j J U j injektiv auf eine offene Umgebung f( j J U j ) j J f(u j ) = j J V j von y ab. Ist ỹ H y f( j J U j), so gilt für alle i, j J f(f 1 i (ỹ)) = ỹ = f(f 1 j (ỹ)), und daraus folgt f 1 i (ỹ) = f 1 j (ỹ). Also ist H y f( j J U j) eine offene Umgebung von y in Ŵ. 3. Schritt: Schluss des Beweises. Sei also H Ŵ eine offene Umgebung von f(z). Durch ĝ(y) := f 1 i (y) für y W i H erhält man Abbildung ĝ : H X. Nach dem Klebelemma 18 ist ĝ stetig und nach Konstruktion ein lokaler Homöomorphismus. Daher ist G := ĝ(h) eine offene Umgebung von Z. Schließlich gilt für alle y H und x = ĝ(y) G Damit ist ĝ ein stetiges Inverses von f G. f ĝ(y) = f f 1 i (y) = y, ĝ f(x) = ĝ(y) = x. Bemerkung: Parakompakte Räume. Wir sind mit der Zerlegung der Eins gewissermaßen in eine andere Kategorie gerutscht: Statt über stetige Funktionen auf topologischen 20

21 Räumen reden wir über C -Funktionen auf R n. Das ist ein Schritt in Richtung Differentialtopologie, gerechtfertigt durch die Anwendungen, die wir im Auge haben. Aber auch in allgemeineren topologischen Räumen spielt die Zerlegung der Eins mit stetigen Funktionen φ j eine wichtige Rolle. Zum Beispiel ist das (stetige) Urysohn-Lemma dort ein wichtiges Ergebnis. Zur Konstruktion einer stetigen Zerlegung der Eins ist es wichtig, zu einer gegebenen offenen Überdeckung, eine lokal endliche Verfeinerung zu haben. Topologische Räume, in denen jede offene Überdeckung eine lokal endliche Verfeinerung besitzt, nennt man parakompakt. Die Parakompaktheit ist tatsächlich äquivalent zur Existenz einer (nicht notwendig abzählbaren) Zerlegung der Eins mit stetigen Funktionen und den Eigenschaften des Satzes. Beispiel 39. Die Mengen N hat ein Topologie T = { } {G N 0 G}. Prüfen Sie, dass das eine Topologie ist. Jede nicht-leere offene Teilmenge enthält also die 0. Die offene Überdeckung (U n = {0, n}) n N ist nicht lokal endlich, denn jede Umgebung von 1 trifft alle U n. Sie besitzt auch keine lokal endliche Verfeinerung, weil sie gar keine echte Verfeinerung besitzt. Also ist (N, T ) nicht parakompakt. 21

22 2 Überlagerungen und die Fundamentalgruppe In diesem Abschnitt sollen topologische Räume immer hausdorffsch sein. 2.1 Überlagerung, Hochhebung und Homotopie Definition 40 (Überlagerung). Eine stetige Abbildung π : Y X von topologischen Räumen heißt eine Überlagerung, wenn jeder Punkt x X eine offene Umgebung U besitzt, so dass π 1 (U) die disjunkte Vereinigung offener Mengen ist, deren jede durch π homöomorph auf U abgebildet wird. Wir nennen U dann eine schlicht überdeckte Umgebung von x. Kann man U = X wählen, so heißt die Überdeckung trivial. Der Raum X heißt die Basis und Y der Totalraum der Überlagerung. π 1 ({x}) heißt die Faser über x. Sie ist eine diskrete Teilmenge von Y und wird auch mit Y x bezeichnet. Die Mächtigkeit der Faser #Y x heißt die Blätterzahl der Überlagerung über x. Sie ist lokal konstant. Ist sie global konstant und endlich vom Wert k N, so heißt π : Y X eine k-blättrige Überlagerung. Sind π 1 : Y 1 X und π 2 : Y 2 X Überlagerungen, so heißt φ : Y 1 Y 2 ein Isomorphismus der Überlagerungen, wenn φ ein Homöomorphismus und π 2 φ = π 1 ist. Beispiele 41. Die folgenden Abbildungen sind Überlagerungen Y X U x π (i) π : R S 1, t e it = cos t + i sin t. (ii) exp : C C \ {0}, z e z. IR (iii) π : C \ {0} C \ {0}, z z n. (iv) Die kanonische Projektion π : S n P n, vgl. Beispiel 28. e it 1 S Bemerkung. Eine Überlagerung π : Y X ist ein lokaler Homöomorphismus: Jeder Punkt y Y besitzt eine offene Umgebung, die durch π homöomorph auf eine offene Umgebung von π(y) abgebildet wird. Aber ein lokaler Homöomorphismus ist im allgemeinen noch keine Überlagerung. Finden Sie dafür ein Beispiel. Beispiel 42. Eine R-bilineare Abbildung R n R n R n, (x, y) xy heißt eine Multiplikation und R n zusammen mit einer solchen Multiplikation eine n-dimensionale (reelle) Algebra. Ist xy = 0 nur für x = 0 oder y=0, so heißt die Algebra eine Divisionsalgebra. Beispiele liefern R und R 2 = C mit den üblichen Multiplikationen. Der R 4 22

23 besitzt eine Divisionsalgebra-Struktur, die nicht mehr kommutativ, aber noch assoziativ ist, genannt die Algebra H der Quaternionen. Auch auf dem R 8 kennt man eine Divisionsalgebra- Struktur, die allerdings nicht einmal mehr assoziativ ist (Cayleysche Oktaven). Und das sind tatsächlich alle reellen Divisionsalgebren. Bis heute gibt es für diese Tatsache keinen rein algebraischen Beweis, man braucht Methoden aus der algebraischen Topologie! 5 Vergleichen Sie Beispiel 53. Wir wollen die Quaternionen kurz einführen, um damit eine Überlagerung S 3 SO(3) der Gruppe der speziellen orthogonalen Transformationen des R 3 zu beschreiben. Wir bezeichnen die Einheitsvektoren des R 4 mit 1, i, j, k. Die Quaternionenmultiplikation R 4 R 4 R 4 ist dann die reell-bilineare Abbildung mit ij = k = ji, jk = i = kj, ki = j = ik i 2 = j 2 = k 2 = 1. Wir definieren eine R-lineare Konjugation x x wie im Komplexen durch 1 = 1, ī = i, j = j, k = k, Bezeichnet x := x x die übliche Norm des R 4, so ist Für ist daher die Abbildung xy = x y. q S 3 = {x H x = 1} π(q) : H H, x qx q eine orthogonale Transformation des Euklidischen R 4, die den R 3 := Spann(i, j, k) in sich überführt. Also π : S 3 SO(3). Es ist leicht zu zeigen, dass π 1 (π(q)) = {q, q}, aber es ist nicht so einfach, direkt nachzuweisen, dass π eine Überlagerung ist. Wir verschieben das auf später, vgl. Beispiel 132. Die Quaternionenmultiplikation liefert für S 3 eine Gruppenstruktur, und S 3 mit dieser Struktur heißt auch die Spingruppe Spin(3). Die Abbildung π ist ein Gruppenhomomorphismus (Spindarstellung). Bemerkung. Jedes q S 3 läßt sich schreiben als q = cos α 2 + v sin α 2 mit α R und einem Einheitsvektor v R 3 = Spann(i, j, k). Dann ist π(q) die Drehung um den Winkel α mit der Achse v. Damit ist die Quaternionen-Beschreibung der Drehgruppe SO(3) viel einfacher als die Matrix-Beschreibung! Definition 43 (Hochhebung). Seien π : Y X eine Überlagerung und f : Z X eine stetige Abbildung. Eine stetige Abbildung f : Z Y heißt eine Hochhebung oder ein Lift von f, wenn π f = f ist. f Y Z X f π 5 Vgl. Kapitel 10 des sehr schönen Buches Zahlen, Grundwissen Mathematik 1, Springer-Verlag 1983, ed. H.-D. Ebbinghaus et al. 23

24 Lemma 44 (Eindeutigkeitslemma). Seien π : Y X eine Überlagerung, Z zusammenhängend und f 1, f 2 : Z Y Hochhebungen der stetigen Abbildung f : Z X. Gilt f 1 (z 0 ) = f 2 (z 0 ) für ein z 0 Z, so folgt f 1 = f 2. Beweis. Weil die f i stetig sind, ist abgeschlossen. 6 G := {z Z f 1 (z) = f 2 (z)} Z Sei z G und sei U eine schlicht überdeckte Umgebung von f(z). Dann gibt es also eine Umgebung Ũ von f 1 (z) = f 2 (z), die durch πũ := π Ũ homöomorph auf U abgebildet wird. 1 1 Die Menge f 1 (U) f 2 (U) ist eine offene Umgebung von z, auf der f 1 = π 1 Ũ gilt. Damit ist G auch offen, also G = Z. π Ũ f 1 = π 1 Ũ f = f 2 Satz 45 (Hochhebung von Wegen). Sei π : Y X eine Überlagerung und sei γ : [a, b] X ein Weg in X. Sei y a Y mit π(y a ) = γ(a). Dann gibt es genau eine Hochhebung γ : [a, b] Y von γ mit γ(a) = y a. Y y a π X Beweis. Die Eindeutigkeit folgt aus dem letzten Lemma. Ist U X eine schlicht überdeckte offene Menge, I γ 1 (U) ein Intervall, t 0 I und y 0 Y mit π(y 0 ) = γ(t 0 ), so gibt es offenbar genau ein stetiges γ : I Y mit γ(t 0 ) = y 0. Nach dem Lemma von Lebesgue gibt es eine endliche Zerlegung a = t 0 < t 1 <... < t n = b, 6 An dieser Stelle benutzen wir die Hausdorff-Eigenschaft von Y. 24

25 so dass γ([t j 1, t j ]) für jedes j in einer schlicht überdeckten offenen Menge U X liegt. Ist γ : [a, t j ] Y eine Hochhebung von γ mit γ(a) = y a und t j < b, so sei so sei γ : [t j, t j+1 ] Y die Hochhebung mit γ (t j ) = γ(t j ). Das liefert eine stetige Fortsetzung von γ auf [a, t j+1 ]. In endlich vielen Schritten erhält man so die gewünschte Hochhebung auf [a, b]. Das nachfolgende Beispiel ist im weiteren Gang der Vorlesung von einiger Wichtigkeit. Zum besseren Verständnis studieren Sie zunächst die nebenstehende Visualisierung der doppelten Überlagerung π : S 1 S 1, e iφ e 2iφ. π Beispiel 46. Die Abbildung zeigt eine dreifache Überlagerung der Acht-Figur X. Betrachten Sie in der Acht den im Kreuzungspunkt beginnenden Weg, der nacheinander die rechte und linke Schleife im positiven Sinne und danach die rechte und linke Schleife im negativen Sinne durchläuft. 7 Heben Sie den Weg beginnend mit dem untersten der drei Faserpunkte über dem Kreuzungspunkt hoch. Wo endet die Hochhebung? Y X b π a Beispiel 47 (Umlaufzahl). Wir betrachten die Überlagerung Sei ein Weg. Wir wählen ρ a + iφ a C mit C C \ {0}, z e z. γ : [a, b] C \ {0} e ρa e iφa = γ(a). Das ist möglich. ρ a = ln γ(a) ist eindeutig, φ a eindeutig modulo 2π. Nach dem Satz gibt es genau einen Weg ρ + iφ : [a, b] C, so dass und für alle t ρ(a) = ρ a, φ(a) = φ a, γ(t) = e ρ(t)+iφ(t) = γ(t) e iφ(t). Man hat also eine Darstellung von γ in Polarkoordinaten mit stetiger(!) Winkelfunktion. Ist γ geschlossen, also γ(a) = γ(b), so folgt e iφ(a) = e iφ(b), also φ(b) φ(a) = 2π m, m Z. 7 Den Weg bezeichnet man suggestiv auch mit aba 1 b 1. 25

26 Die Zahl m ist unabhängig von der Wahl von ρ a + iφ a (warum?) und heißt die Umlaufzahl von γ um 0. Definieren Sie die Umlaufzahl W (γ, z 0 ) eines geschlossenen Weges γ : [a, b] C um einen Punkt z 0 C \ γ([a, b]). Beispiel 48 (Satz von Borsuk/Ulam (n = 1)). Sei γ : [0, 2π] C \ {0} ein geschlossener Weg mit γ(π + t) = γ(t) für 0 t π. γ(0) Die Kurve ist also symmetrisch zum Ursprung. Sei γ(t) = γ(t) e iφ(t) mit stetigem φ. Dann ist t φ(π + t) φ(π) auf [0, π] ebenfalls stetig, γ(π)=- γ(0) und wegen der Symmetrievoraussetzung ist φ(π + t) φ(t) ein ungerades Vielfaches von π, das wegen der Stetigkeit nicht von t abhängt: Es gibt ein m Z mit φ(π + t) φ(t) = π + 2mπ für alle 0 t π. Es folgt Daher ist φ(2π) φ(0) = φ(2π) φ(π) + φ(π) φ(0) = 2π + 4mπ. W (γ, 0) = 2m + 1 ungerade. Bemerkung: Geschlossene Wege. Sei σ : [a, b] S 1 t a 2πi, t e b a. Ist γ : S 1 X eine stetige Abbildung, so ist γ := γ σ : [a, b] X ein geschlossener Weg. Umgekehrt gibt es zu jedem geschlossenen Weg γ : [a, b] X eine eindeutig bestimmte stetige Abbildung γ : S 1 X mit γ σ = γ. Deshalb kann man die Umlaufzahl W (γ, z 0 ) auch für stetige Abbildungen S σ 1 γ ~ γ γ : S 1 C \ {z 0 } a b definieren. Beispiel 49. Der Satz von Borsuk-Ulam lautet in dieser Version dann so: Ist γ : S 1 R 2 \ {0} stetig mit γ( x) = γ(x) für alle x S 1, so ist W (γ, 0) ungerade. Definition 50 (Homotopie). (i) Eine Homotopie zwischen zwei stetigen Abbildungen f 0, f 1 : X Y ist eine stetige Abbildung H : X [0, 1] Y 26

27 mit H(., 0) = f 0, H(., 1) = f 1. Zwei Abbildungen f 0, f 1 : X Y heißen homotop,wenn es zwischen ihnen eine Homotopie gibt. Notation: f 0 f 1. (ii) Zwei Wege γ 1, γ 2 : [a, b] Y mit γ 1 (a) = γ 2 (a) und γ 1 (b) = γ 2 (b) heißen homotop mit festen Endpunkten, wenn es eine Homotopie H wie oben gibt, so dass H(a, τ) = γ 1 (a) und H(b, τ) = γ 1 (b) für alle τ [0, 1]. 1 H 0 a b (iii) Häufig haben wir es mit geschlossenen Wegen zu tun, die wir auch Schleifen nennen wollen. Ist γ(a) = γ(b) = y 0, so nennen wir γ eine Schleife in y 0. Für Schleifen betrachten wir eingeschränktere Homotopiebegriffe: a) Zwei Schleifen γ 0, γ 1 : [a, b] Y heißen frei homotop, wenn es zwischen ihnen eine Homotopie H gibt, bei der H(a, τ) = H(b, τ) für alle τ gilt, d.h. bei der alle H(., τ) geschlossene Wege sind. Das ist äquivalent dazu, dass die zugehörigen Abbildungen γ 0, γ 1 : S 1 Y homotop sind. b) Zwei Schleifen γ 0, γ 1 in y 0 heißen homotop (mit festem Anfangspunkt), wenn es zwischen ihnen eine Homotopie H gibt, bei der H(a, τ) = H(b, τ) = y 0 für alle τ gilt. Zeigen Sie, dass jeder der oben definierten vier Homotopiebegriffe eine Äquivalenzrelation definiert. Beispiel 51. Je zwei stetige Abbildungen f 0, f 1 : X R n sind homotop: Definiere H(x, τ) := (1 τ)f 0 (x) + τf 1 (x). Wenn man aber den R n zum Beispiel ersetzt durch R n \ {0}, so ändert sich das, weil im Allgemeinen das Bild von H nicht den Nullpunkt ausläßt. Konkret ist die Inklusionsabbildung S 1 R 2 \ {0} nicht homotop zu einer konstanten Abbildung S 1 R 2 \ {0}. Anschaulich ist das klar, aber wie beweist man das? Beispiel 52. Sei f : S n X stetig. Wir betrachten S n als Teilmenge der Vollkugel D n+1 oder als Äquator der Sphäre S n+1. Besitzt f eine stetige Fortsetzung F auf D n+1 oder S n+1, so ist f homotop zu einer konstanten Abbildung. Eine solche Homotopie wird im zweiten Fall gegeben durch H(x, τ) := F ((1 τ)x, 1 (1 τ)x ). n+1 S n+1 D S n 27

28 Beispiel 53. Sei v : S n S n ein tangentiales Einheitsvektorfeld auf der Sphäre S n, d.h. es gelte x, v(x) = 0 für alle x S n. Die Abbildung H(x, τ) := cos(πτ)x + sin(πτ)v(x) definiert dann eine Homotopie H : S n [0, 1] S n zwischen H(., 0) = id und der Antipodenabbildung H(., 1) : x x. Zwei Beispiele für Einheitstangentialfelder: Ist n = 2m 1 ungerade, so hat man S n R 2m = C m, und die Multiplikation mit der komplexen Einheit i, also die Abbildung ist ein Einheitstangentialfeld. x ix = ( x 2, x 1,..., x 2m, x 2m 1 ) Hat man auf dem R n eine bilineare Multiplikation wie im Beispiel 42, für die wie bei den Quaternionen oder komplexen Zahlen xy = x y gilt und der erste Einheitsvektor e 1 als neutrales Element operiert, so ist die Multiplikation mit einem Einheitsvektor x eine orthogonale Abbildung, und deshalb ist x e 2 x ein Einheitstangentialfeld. Man nennet eine Multiplikation mit diesen Eigenschaften auch eine orthogonale Multiplikation. Auf den Einheitssphären in gerad-dimensionalen Räumen und in Räumen mit orthogonaler Multiplikation ist die Identität also homotop zur Antipodenabbildung. Wir werden später zeigen, dass sie es auf gerad-dimensionalen Sphären nicht ist. Das beweist, dass es auf solchen Sphären also kein stetiges tangentiales Einheitsvektorfeld gibt (Igelsatz) und damit auf dem R 2m+1 keine orthogonale Multiplikation. Satz 54 (Hochhebung von Homotopien). Sei π : Y X eine Überlagerung und sei H : [a, b] [0, 1] X eine Homotopie zwischen den Wegen γ 0 = H(., 0) und γ 1 = H(., 1). Sei γ : [a, b] Y eine Hochhebung von γ 0. Dann gibt es genau eine Hochhebung H : [a, b] [0, 1] Y von H mit H(., 0) = γ. Beweis. Wie im Beweis von Satz 45 zeigt man, dass man das Rechteck [a, b] [0, 1] achsenparallel in endlich viele kleine abgeschlossene Rechtecke zerlegen kann, deren jedes von H in eine schlicht überdeckte offene Menge abgebildet wird. Dann läßt sich also H auf jedem dieser Rechtecke mit beliebig vorgegebenem Anfangswert eindeutig hochheben. Beginnend mit den durch γ gegebenen Anfangswerten hebt man H dann zeilenweise auf einem der kleinen Rechtecke nach dem anderen. 28

29 Korollar 55 (Monodromielemma). Seien γ 0, γ 1 : [a, b] X zwei Wege im Basisraum X einer Überlagerung π : Y X, die zueinander homotop mit festen Endpunkten sind. Dann haben die Hochhebungen von γ 0 und γ 1 mit demselben Anfangspunkt auch denselben Endpunkt. Ist insbesondere der geschlossene Weg γ homotop zu einem konstanten Weg (nullhomotop nennt man das auch), so ist jede Hochhebung von γ wieder ein (ebenfalls nullhomotoper) geschlossener Weg. Beweis. Ist H : [a, b] [0, 1] Y die Hochhebung einer Homotopie H von γ 0 = H(., 0) zu γ 1 = H(., 1), so ist τ H(b, τ) eine Hochhebung des konstanten Weges τ H(b, τ), nach dem Eindeutigkeitssatz also konstant. Deshalb ist H(b, 0) = H(b, 1). Beispiel 56. Der Weg aba 1 b 1 aus Beispiel 46 in der Acht X ist nicht nullhomotop. Als Anwendung von Satz 54 zeigen wir, dass die Umlaufzahl eines geschlossenen Weges in R 2 eine Homotopieinvariante ist. Satz 57. (i) Sei z 0 C und seien γ 0 und γ 1 in C \ {z 0 } geschlossene Wege, die in C \ {z 0 } frei homotop sind. Dann haben sie um z 0 dieselbe Umlaufzahl: W (γ 0, z 0 ) = W (γ 1, z 0 ). (ii) Ist γ : [a, b] C ein geschlossener Weg, und liegen z 0 und z 1 in derselben Zusammenhangskomponente von C \ γ([a, b]), so gilt W (γ, z 0 ) = W (γ, z 1 ). Beweis. Wir beweisen beide Teile gleichzeitig, indem wir gleichzeitig den geschlossenen Weg γ 0 und den Punkt z 0 bewegen, wobei die beiden stets disjunkt bleiben. Beachten Sie, dass für offene Mengen im R n Zusammenhang und Wegzusammenhang äquivalent sind. Sei also H : [a, b] [0, 1] C eine Homotopie von γ 0 nach γ 1 und z(t) : [0, 1] C ein Weg von z 0 nach z 1, so dass für alle t und τ H(t, τ) z(τ). Die Homotopie H (t, τ) := H(t, τ) z(τ) : [a, b] [0, 1] C \ {0} hat in der Überlagerung exp : C C \ {0} eine Hochhebung H (t, τ) = H (t, τ) e iφ(t,τ), und W (γ j, z j ) = 1 (φ(b, j) φ(a, j)). 2π Weil φ aber stetig und φ(b, τ) = φ(a, τ) mod 2π für alle τ [0, 1], ist die Differenzfunktion konstant: φ(b, 0) φ(a, 0) = φ(b, 1) φ(a, 1). Wählt man entweder z(τ) oder H(., τ) unabhängig von τ, so erhält man (i) bzw. (ii). 29

30 Korollar 58. Zwei geschlossene Wege in C \ {0} sind genau dann in C \ {0} homotop zueinander, wenn sie dieselbe Umlaufzahl um 0 haben. Beweis. Zu ( = ). Nach dem Satz haben homotope Wege dieselbe Umlaufzahl. Zu ( ). Sei andrerseits γ : [a, b] C \ {0} ein geschlossener Weg mit Umlaufzahl n Z und γ(t) = γ(t) e iφ(t) mit stetigem φ : [a, b] R. Dann ist also φ(b) φ(a) = 2πn. Setze und definiere ψ(t) := t a t a (φ(b) φ(a)) = 2πn b a b a H(t, τ) := γ τ (t) := (τ + (1 τ) γ(t) ) e i((1 τ)φ(t)+τψ(t)) Das ist eine Homotopie von γ 0 = γ durch geschlossene Wege in C \ {0} in den Weg γ 1 (t) := e iψ(t). Dieser Weg ist aber unabhängig von γ, nämlich der harmonisch parametrisierte n-fach durchlaufene Einheitskreis. Weil Homotopie eine Äquivalenzrelation ist, folgt daraus die Äquivalenz von je zwei geschlossenen Wegen mit derselben Umlaufzahl. Beispiel 59. Wir benutzen nun die Umlaufzahl zu einem Beweis für den Fundamentalsatz der Algebra: Jedes nicht-konstante komplexe Polynom hat eine Nullstelle. Mit Polynomdivision und Induktion findet man dann, dass die Anzahl der Nullstellen eines Polynoms vom Grade n > 0 genau n ist. Zu zeigen ist also die Existenz einer Nullstelle für das Polynom p(z) = a 0 z n + a 1 z n a n, n > 0, a 0 0. Offenbar dürfen wir annehmen, dass a 0 = 1 ist. Für z 0 schreiben wir Für z = R > 1 ist p(z) = z n + a 1 z n a n = z n (1 + a 1 z +... a n } {{ z n ) } =:q(z) q(z) n max a j, R und wenn wir R hinreichend groß wählen, ist das < 1. Dann definiert aber H(t, τ) := (Re it ) n ( 1 + (1 τ)q(re it ) ) eine Homotopie von H(t, 0) = p(re it ) nach H(t, 1) = R n e int in C \ {0}. Also gilt Hätte p keine Nullstelle, so wäre andrerseits W (p(re it ), 0) = n. H (t, τ) := p ( (1 τ)re it) eine Homotopie von p(re it ) in C \ {0} in einen konstanten Weg p(0) und die Umlaufzahl = 0. Widerspruch! 30